CN104820950A - 一种城市给水管网无线监测系统 - Google Patents

Abstract

一种城市给水管网无线监测系统，它包括数据中心以及若干无线监测装置，其中，所述若干无线监测装置对应设置于所述给水管网的若干消火栓上，无线监测装置的传感器与其所在消火栓内的水体耦合以监测消火栓内水体的相应参数，所述若干无线监测装置中至少一个无线监测装置为远距离无线监测装置，其余无线监测装置为短距离无线监测装置，相邻的两个无线监测装置通信连接，监测数据以多跳、接力传递的方式无线传送给所述远距离无线监测装置，进而通过所述远距离无线监测装置远传至所述数据中心。该监测系统建立于消火栓上，采用网络化的架构，不但适合城市给水管网监测点较多、覆盖范围广的监测需求，而且成本低，安装及维护便利。

Description

一种城市给水管网无线监测系统

技术领域

本发明涉及给水管网监测系统，更具体地说，涉及一种城市给水管网无线监测系统。

背景技术

随着我国城镇化步伐的加快，城市给水管网规模日渐扩大，由于监测与管理的手段相对滞后，我国城市管网面临的种种问题日渐突出：首先，管网漏损严重，根据《2010年城市供水统计年鉴》，我国600余座城市的给水管网水量净漏失率达16.23％，远超过国家要求的12％的漏损控制标准；其次，缺少优化调度，管网供水电耗巨大，不考虑中间加压，每吨水的一次供水电耗在0.2-0.3度，以深圳市为例，2010年供水量是18.97亿m³，估计一次提升的电耗是4-6亿度。要解决上述问题第一步就是建立适应于城市给水管网特性的监测系统，全面了解管网运行情况，从而能够提出科学定量的管理措施。

城市给水管网规模巨大，又埋于地下，对其开展在线监测一直是全球监测领域的难点。目前国内只有少数地区开展了小区域的管网监测，这种监测系统主要依靠商业化的在线监测仪表来构建，这种监测系统多采用有线或独立的远程通讯设备来实现数据传输，使得单个监测节点成本较高，电耗较大，不适合城市自来水管网大规模、低成本的监测要求。近些年来，随着物联网技术的日渐成熟，一些科研机构纷纷开展了管网监测与管理方面的研究。IvanStoianov et al.(2007)提出PipeNet系统，利用单跳的无线传感网络(WSN)进行管网监测，但仅用于实验室的管网探漏研究，未提出远距离数据传输方案。Min Lin et al.(2008)开展WSN地下管网监测实验，建立了2.4GHz ZigBee井下通讯模型，但由于监测节点设在地下，无线传输效果大打折扣。Michael Allen et al.(2013)开发WaterWiseSG智能管网系统，利用公共通讯网络传送数据对实际给水管网进行在线监测，但该系统每一个监测节点都需要配备一个独立的GPRS模块，成本高、功耗高。AS Almazyad et al.(2014)提出随管道水流流动的基于无线传感网与RFID技术的移动监测节点，并取得了良好的模拟效果，但由于屏蔽效应该方案不适用金属管材。

发明人(2014)提出了基于压力监测的节点流量反演理论(DRD)，并得到了良好验证，仅对于管网进行水压监测就能解决漏损探测、故障分析、调度优化等多种问题。而消火栓是给水管网系统最为常见的地上设施，对于消火栓进行水压监测可将监测节点的布设从地下引到地面以上，既为管理维护带来便利，也为监测数据通过无线射频传输扫去了屏障。正是基于DRD理论的提出，进而发明了本申请的新型的、建立在消火栓上的城市给水管网无线监测系统。

发明内容

本发明的目的是针对当前城市给水管网规模庞大，结构复杂，管网普遍埋于地下，监测困难的现状，提供一种新型的低成本、低功耗、网络化的城市给水管网无线监测系统，以适应管网大规模监测的需求。

本发明的具体技术方案如下：

一种城市给水管网无线监测系统，包括数据中心以及若干无线监测装置，其中，所述若干无线监测装置对应设置于所述给水管网的若干消火栓上，无线监测装置的传感器与其所在消火栓内的水体耦合以监测消火栓内水体的相应参数，所述若干无线监测装置中至少一个无线监测装置为远距离无线监测装置，其余无线监测装置为短距离无线监测装置，相邻的两个无线监测装置通信连接，监测数据以多跳、接力传递的方式无线传送给所述远距离无线监测装置，进而通过所述远距离无线监测装置远传至所述数据中心。

在上述的城市给水管网无线监测系统中，优选地，所述若干无线监测装置中包括两个或多个远距离无线监测装置，每两个远距离无线监测装置之间设置多个所述短距离无线监测装置；监测数据的接力传递方式为等数据量双向交替的数据传递形式，包括：当已传递的数据量达到预设值时，接力传递的方向反转，如此重复，使监测数据接力传递方向双向交替变换。

在上述的城市给水管网无线监测系统中，优选地，所述预设值与监测频率、功耗、接力节点数相关。

在上述的城市给水管网无线监测系统中，优选地，所述接力传递的方式包括当传递上游监测装置的数据时，加入自身采集的数据一并上传。

在上述的城市给水管网无线监测系统中，优选地，所述传感器为水压传感器、水质传感器、声波传感器和加速度传感器中的至少一种。

在上述的城市给水管网无线监测系统中，优选地，所述消火栓设置传感器接口，所述无线监测装置的传感器安装于所述传感器接口。

在上述的城市给水管网无线监测系统中，优选地，所述短距离无线监测装置包括传感器、第一数传模块和第一电源，所述第一数传模块具有数据采集、存储、及短距离无线通信的功能；所述远距离无线监测装置包括传感器、第二数传模块和第二电源，所述第二数传模块具有数据采集、存储、短距离无线通信、及远距离无线通信的功能。

在上述的城市给水管网无线监测系统中，优选地，所述短距离无线监测装置由电池供电。

在上述的城市给水管网无线监测系统中，优选地，在传送过程中，所述监测数据的格式为以测点编号、采集时间、数值为行向量的矩阵。

在上述的城市给水管网无线监测系统中，优选地，所述若干无线监测装置的数据采集时间一致，数据采集频率是固定的或变化的。

本发明具有以下有益技术效果：

该监测系统采用网络化的架构，适合城市给水管网监测点较多、覆盖范围广的监测需求。监测节点之间通过低功耗、近距离的无线通信方式进行数据多跳、接力传递，摆脱了以往在每个监测节点都需设置远传模块这种高能耗、高硬件成本的方式，使得监测节点硬件成本大大降低，并且仅用电池即可为节点长期供电，为安装布设提供了便利。

通过采用消火栓监测的方式，将监测系统引到了地面以上，便于安装运行、维护及调试。

此外，当监测系统采用“等数据量双向交替”的数据传递形式时，使得各监测节点的短距离无线监测装置(路由消火栓)的电耗相等，消除了电耗不均匀这项“瓶颈”因素，延长了网络的生存期，可同时更换电池，方便了维护管理。

附图说明

图1为本发明城市给水管网无线监测系统的一些实施例的原理框图；

图2为本发明城市给水管网无线监测系统一种网络结构示意图；

图3为本发明城市给水管网无线监测系统的另一种网络结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。这些更详细的描述旨在帮助理解本发明，而不应被用于限制本发明。根据本发明公开的内容，本领域技术人员明白，可以不需要一些或者所有这些特定细节即可实施本发明。而在其它情况下，为了避免将发明创造淡化，未详细描述众所周知的内容。

如图1所示，一些实施例的城市给水管网无线监测系统包括：数据中心1，若干无线监测装置21、22、……、2n-1、2n。图1中3为城市给水管网，31、32、……、3n-1、3n为城市给水管网的若干消火栓。所述若干无线监测装置21、22、……、2n-1、2n对应设置于所述给水管网3的若干消火栓31、32、……、3n-1、3n上，无线监测装置的传感器与其所在消火栓内的水体耦合以监测消火栓内水体的相应参数，具体的，以无线监测装置21为例，其传感器211与其所在消火栓31内的水体耦合以监测消火栓31内水体的相应参数。所述若干无线监测装置21、22、……、2n-1、2n中两个无线监测装置21、2n为远距离无线监测装置，其余无线监测装置为短距离无线监测装置，相邻的两个无线监测装置通信连接，监测数据以多跳、接力传递的方式无线传送给所述远距离无线监测装置21或2n，进而通过所述远距离无线监测装置21或2n远传至所述数据中心1。

由上述及附图1可以看出，该监测系统采用网络化的架构，适合城市给水管网监测点较多、覆盖范围广的监测需求。而且，由于监测节点之间通过低功耗、近距离的无线通信方式进行数据多跳、接力传递，摆脱了以往在每个监测节点都需设置远传模块这种高能耗、高硬件成本的方式，使得监测节点硬件成本大大降低，并且仅用电池即可为节点长期供电，为安装布设提供了便利。同时，通过采用消火栓监测的方式，将监测系统引到了地面以上，便于安装运行、维护及调试。

在图1中，示出了若干无线监测装置21、22、……、2n-1、2n中有两个为远距离无线监测装置，其余的为短距离无线监测装置，所述其余的短距离无线监测装置设置于两个远距离无线监测装置之间的实施例。需要指出，本发明并不限于此方式，所述若干无线监测装置中也可以包括多个远距离无线监测装置(例如在图3中示出了四个远距离无线监测装置)，且每两个远距离无线监测装置之间设置多个所述短距离无线监测装置；此外，所述若干无线监测装置中还可以包括一个远距离无线监测装置(此方式下，不能采用双向交替的数据传递形式)。

为了达到不同监测节点电耗均匀，延长网络的生存期的目的，监测数据的接力传递方式为等数据量双向交替的数据传递形式，包括：当已传递的数据量达到预设值时，接力传递的方向反转，如此重复，可使监测数据接力传递方向双向交替变换，从而使每个短距离无线监测装置传递的数据量相等，从而使得电耗相等。所述预设值优选根据监测频率、功耗、接力节点数等确定。在图1中用空心箭头表示了一个接力传递方向，用实心箭头表示了另一个接力传递方向。

在上述实施例中，所述接力传递的方式包括当传递上游监测装置的数据时，加入自身采集的数据一并上传，因此沿传输方向越往后数据量越大。图1中用箭头的宽度示意性表示了数据量的大小。

无线监测装置的传感器一般采用水压传感器。但并不限于此，也可根据实际监测需要采用水质(如余氯)传感器、声波传感器、加速度传感器等，或者也可以采用它们的组合。

优选在消火栓设置传感器接口，如预留螺纹接口，所述无线监测装置的传感器安装于所述传感器接口，未安装传感器时以丝堵密封传感器接口。

在一些实施例中，所述短距离无线监测装置包括传感器、第一数传模块(本发明中将数据传输模块简称为数传模块)和第一电源，所述第一数传模块具有数据采集、存储、及短距离无线通信的功能，这里我们称第一数传模块为“路由模块”，相应地，将设置有短距离无线监测装置的消火栓称为“路由消火栓”，“路由模块”可采用建立在IEEE802.15.4标准之上的低功耗无线通信方式(如ZigBee、6LowPAN等)相互通信，“路由模块”具有传递数据的路由功能，“路由模块”在传递上游短距离无线监测装置的数据时，加入自身采集的数据一并上传。所述远距离无线监测装置包括传感器、第二数传模块和第二电源，所述第二数传模块具有数据采集、存储、短距离无线通信、及远距离无线通信的功能，这里我们称第二数传模块为“网关模块”，相应地，将设置有远距离无线监测装置的消火栓称为“网关消火栓”，“网关模块”具有IEEE802.15.4通信协议(如ZigBee、6LoWPAN等)及移动通信网络(如GPRS/3G/4G等)的网关功能，“网关模块”接收“路由模块”传递而来的数据，汇总并远传至数据中心。

由前述可知“路由消火栓”和“网关消火栓”间隔布置，换言之，每两个“网关消火栓”之间须存在若干个“路由消火栓”。此外，每两个“网关消火栓”之间的“路由消火栓”的具体数量根据网络数据承载力决定。所有“路由消火栓”数据发射功率相同，数据接收功率也相同。

在一些实施例中，所述短距离无线监测装置由电池供电，即所述第一电源包括电池。因为监测系统采用了上述架构以及数据传输方式，大大降低了监测装置的功耗，所以可以使用电池供电。但本发明不限于此，在一些实施例中，还预留有源供电的接口，以使得在有条件使用有源供电的情况下，可以使用有源供电。这里所说的有源供电包括电网、太阳能电源、风能电源等。

在传送过程中，所述监测数据的格式优选以“测点编号+采集时间+数值”为行向量的矩阵。

所述若干无线监测装置的数据采集时间一致，但数据采集频率可以是固定的，也可以是变化的。

数据中心1可以是服务器、计算机、笔记本电脑或便携式移动设备等。

根据现行国家标准，室外消火栓应沿路铺设，设置间距不得超过120米，该间距小于IEEE802.15.4通信标准的通信距离(300～1000m视距通信距离)。图2和图3分别示出了本发明在实际实施时常见的两种网络结构。为了便于说明，下面我们将设置有短距离无线监测装置的消火栓称为“路由消火栓”，将设置有远距离无线监测装置的消火栓称为“网关消火栓”。

第一种网络结构如图2所示，该结构适用于单条道路，在一定距离内无道路交叉的情况。

如图2所示，每两个网关消火栓A、B之间有若干路由消火栓1a、1b、1c、1d、1e。路由消火栓一般采用电池供电，而网关消火栓数据传输量大，担负远传任务，故电耗较大，一般采用市政电网供电或其它有源供电方式(如太阳能)。两个网关消火栓A、B之间的路由消火栓设置数量由通信距离、数据传输量、网关消火栓是否易于有源供电等实际因素决定。本例假设网关消火栓A、B之间设置有5个路由消火栓。路由消火栓采集的数据由接力的方式传递至网关消火栓，并且采用“等数据量双向交替”通信方式，即先按“1a-1b-1c-1d-1e-B”方向(如图中实线箭头所示)传递，由B将数据汇总远传至数据中心；当达到设定的数据量时，改为反向传递即“1e-1d-1c-1b-1a-A”(如图中虚线箭头所示)，由A将数据汇总远传至数据中心，如此循环往复。这种方式使得采用电池供电的路由消火栓承担了相同的任务与功耗。此外，该城市给水管网无线监测系统还设置有故障检测及处理模块，用于：检测数传模块(包括路由模块和网关模块)是否正常，以及在检测出数传模块故障后建立相应的通信线路，具体的，若某一路由模块出现故障无法与其他模块建立连接，故障模块的下游相邻模块自动与故障模块的上游相邻模块连接，进行数据通信，并上报故障信息。若某一网关模块出现故障无法通信，则在连接失败后路由模块停止向该网关模块传递数据，改为向正常工作的网关模块单向传递数据，并上报故障信息。

第二种网络结构如图3所示，该结构适用于交叉道路的情况。

如图3所示，一般设置路口消火栓为网关消火栓，其余位置设置为路由消火栓。路由消火栓一般采用电池供电，而网关消火栓数据传输量大，担负远传任务，故电耗较大，一般采用市政供电或其它有源供电方式(如太阳能)。两个网关消火栓之间的路由消火栓设置数量由通信距离、数据传输量、消火栓间隔距离等实际因素决定。本例假设网关消火栓A、B、C、D之间各设置有5个路由消火栓。路由消火栓采集的数据由接力的方式传递至网关消火栓，并且采用“等数据量双向交替”通信方式，即先按“1a-1b-1c-1d-1e-B”，“2a-2b-2c-2d-2e-C”，“3a-3b-3c-3d-3e-D”，“4a-4b-4c-4d-4e-A”方向(如图中虚线箭头所示)传递，B、C、D、A将数据汇总远传至数据中心；当达到设定的数据量时，改为反向传递即，“1e-1d-1c-1b-1a-A”，“2e-2d-2c-2b-2a-B”，“3e-3d-3c-3b-3a-C”，“4e-4d-4c-4b-4a-D”(如图中实线箭头所示)，A、B、C、D将数据汇总远传至数据中心，如此循环往复。这种方式使得采用电池供电的路由消火栓承担了相同的任务与功耗。此外，该城市给水管网无线监测系统还设置有故障检测及处理模块，用于：检测数传模块(包括路由模块和网关模块)是否正常，以及在检测出数传模块故障后建立相应的通信线路，具体的，若某一路由模块出现故障无法与其他模块建立连接，故障模块的下游相邻模块自动与故障模块的上游相邻模块连接，进行数据通信，并上报故障信息。若某一网关模块出现故障无法通信，则在连接失败后路由模块停止向该网关模块传递数据，改为向正常工作的网关模块单向传递数据，并上报故障信息。

Claims (10)

1.一种城市给水管网无线监测系统，包括数据中心以及若干无线监测装置，其特征在于：所述若干无线监测装置对应设置于所述给水管网的若干消火栓上，无线监测装置的传感器与其所在消火栓内的水体耦合以监测消火栓内水体的相应参数，所述若干无线监测装置中至少一个无线监测装置为远距离无线监测装置，其余无线监测装置为短距离无线监测装置，相邻的两个无线监测装置通信连接，监测数据以多跳、接力传递的方式无线传送给所述远距离无线监测装置，进而通过所述远距离无线监测装置远传至所述数据中心。

2.根据权利要求1所述的城市给水管网无线监测系统，其特征在于：

所述若干无线监测装置中包括两个或多个远距离无线监测装置，每两个远距离无线监测装置之间设置多个所述短距离无线监测装置；

监测数据的接力传递方式为等数据量双向交替的数据传递形式，包括：当已传递的数据量达到预设值时，接力传递的方向反转，如此重复，使监测数据接力传递方向双向交替变换。

3.根据权利要求2所述的城市给水管网无线监测系统，其特征在于：所述预设值与监测频率、功耗、接力节点数相关。

4.根据权利要求1所述的城市给水管网无线监测系统，其特征在于：所述接力传递的方式包括当传递上游监测装置的数据时，加入自身采集的数据一并上传。

5.根据权利要求1所述的城市给水管网无线监测系统，其特征在于：所述传感器为水压传感器、水质传感器、声波传感器和加速度传感器中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的城市给水管网无线监测系统，其特征在于：所述消火栓设置传感器接口，所述无线监测装置的传感器安装于所述传感器接口。

7.根据权利要求1所述的城市给水管网无线监测系统，其特征在于：

所述短距离无线监测装置包括传感器、第一数传模块和第一电源，所述第一数传模块具有数据采集、存储、及短距离无线通信的功能；

所述远距离无线监测装置包括传感器、第二数传模块和第二电源，所述第二数传模块具有数据采集、存储、短距离无线通信、及远距离无线通信的功能。

8.根据权利要求1所述的城市给水管网无线监测系统，其特征在于：所述短距离无线监测装置由电池供电。

9.根据权利要求1所述的城市给水管网无线监测系统，其特征在于：在传送过程中，所述监测数据的格式为以测点编号、采集时间、数值为行向量的矩阵。

10.根据权利要求1所述的城市给水管网无线监测系统，其特征在于：所述若干无线监测装置的数据采集时间一致，数据采集频率是固定的或变化的。